CN110568669A - 一种基于胆甾相液晶的阵列光开关、其制备方法及对光路开关态切换的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于胆甾相液晶的阵列光开关、其制备方法及对光路开关态切换的方法。所述光开关包括光控取向膜，和设置在所述光控取向膜一侧的胆甾相液晶薄膜；所述光控取向膜的分子指向矢方向呈周期性渐变分布；所述胆甾相液晶薄膜中靠近所述光控取向膜的一层液晶分子的指向矢分布与所述光控取向膜的分子指向矢分布相同。所述光开关是通过先在透明基板一侧形成光控取向膜，然后取向处理，形成预设的分子指向矢分布，最后涂布胆甾相液晶材料，自组装成胆甾相液晶薄膜的方法制备得到。本发明提供的光开关具有驱动光功率低、能够动态操控且稳定调节、开关效率高、整合度好的优点。
Description
技术领域
本发明属于光开关技术领域，具体涉及一种基于胆甾相液晶的阵列光开关、其制备方法及对光路开关态切换的方法。
背景技术
随着光通信技术的不断发展，光开关技术得到了充分的发展。网络的全光覆盖技术已经成为未来的发展趋势。光开关作为控制光路连通和断开的中重要器件也显得越来越重要。光开关本身也由原来最初的低速、高损耗、低集成度向着高速、低损耗、高集成的方向发展。光开关作为光信息交换的核心器件，主要负责对光学系统或集成光路中的光信号进行模式转换或者逻辑操作，在实现动态光路径管理、光网络的故障保护、波长动态分配等方面发挥重要作用，可以有效提高光学系统的灵活性。
光开关按照结构原理可以分为电光开关、磁光开关和热光开关。传统的电光开关虽然可以实现超高速的调控而被广泛利用，但是被使用环境所限制，尤其在波导中其电光效应较弱，且一般而言设备比较占用空间、器件较长；传统式机械光学开关有着不受光波长的影响、介质损耗比较小、不受偏振的影响等优点；磁光开关在响应速度上仅次于电光开关且串扰小但是存在不容易被集成化的问题而被限制了大面积推广使用；其他一些光开关多少存在着类似工艺复杂、制作成本高、导热能力差等问题。因此，对于光开关的研究和改良优化已经日益成为光通信领域的一个热点。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于胆甾相液晶的阵列光开关、其制备方法及对光路开关态切换的方法。该光开关具有驱动光功率低、能够动态操控且稳定调节、开关效率高、整合度好的优点。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于胆甾相液晶的阵列光开关，包括光控取向膜，和设置在所述光控取向膜一侧的胆甾相液晶薄膜；
所述光控取向膜的分子指向矢方向呈周期性渐变分布；
所述胆甾相液晶薄膜中靠近所述光控取向膜的一层液晶分子的指向矢分布与所述光控取向膜的分子指向矢分布相同。
本发明提供的基于胆甾相液晶的阵列光开关创造性地利用光敏胆甾相液晶在发生光致异构化过程中产生不同的衍射分布这一原理实现了光路切换的功能。胆甾相液晶具有分层结构，层与层之间会择优取向旋转一个固定角度，从而形成螺旋排列的结构，在使用不同光波段进行照射时液晶分子发生旋转，进而能够对光进行调制。通过进一步对液晶分子进行取向操作，能够实现对光在二维空间的连续调控和操纵，从而实现光的开关态切换。这种光开关对光响应调节保持较高灵敏度的同时，所需的驱动力小且制备简单。
本发明提供的光开关中，靠近光控取向膜的液晶分子被光控取向膜锚定，因此其指向矢分布与光控取向膜相同；靠近空气的液晶分子会因空气的强锚定作用而垂直于薄膜面排列；中间的液晶分子则在两端液晶分子的作用下自组装排布。
作为本发明的优选技术方案，所述光开关包括透明基板、设置在所述透明基板一侧的光控取向膜，以及设置在所述光控取向膜远离所述透明基板一侧的胆甾相液晶薄膜。
作为本发明的优选技术方案，所述光控取向膜的厚度为30-50nm。
优选地，所述胆甾相液晶薄膜的厚度为25-30μm。
在本发明一实施方式中，所述光控取向膜的分子指向矢方向沿水平方向周期性渐变，沿垂直方向保持不变，呈现出条形光栅结构。
需要说明的是，上述水平方向与垂直方向相互垂直，其并非本领域确定的方向，而是为了方便描述光控取向膜的分子指向矢分布而人为定义的方向。
其中，沿水平方向，光控取向膜的分子指向矢方向逐渐偏转，每偏转180°为一个周期，每个周期的区域为一个条形区域，每个条形区域可划分为宽度相等的多个连续的条形子区域，每个条形子区域内的分子指向矢方向相同，相邻两个条形子区域内的分子指向矢方向偏转一定角度。每个周期内划分的条形子区域的数量可以是≥3的任意整数，例如3个、5个、6个、8个、10个、12个、15个、18个、21个、25个、30个等。该数量越大，得到的光开关的结构就越精细。
在本发明另一实施方式中，所述光控取向膜上具有周期性排布的圆形区域，所述圆形区域内的分子指向矢方向从圆心到边缘沿径向周期性渐变，距离圆心相同距离处的分子指向矢方向相同，呈现出圆形光栅阵列结构。
在上述圆形区域内，分子指向矢方向从圆心到边缘沿径向逐渐偏转，每偏转180°为一个周期，每个周期可划分为多个宽度相等的连续的圆环形子区域(圆心处为圆形子区域，其宽度为其半径)，每个圆环形子区域内的分子指向矢方向相同，相邻两个圆环形子区域内的分子指向矢方向偏转一定角度。每个周期内划分的圆环形子区域的数量可以是≥3的任意整数，例如3个、5个、6个、8个、10个、12个、15个、18个、21个、25个、30个等。该数量越大，得到的光开关的结构就越精细。
第二方面，本发明提供一种上述光开关的制备方法，包括如下步骤：
(1)在透明基板一侧形成光控取向膜；
(2)对所述光控取向膜进行取向处理，使所述光控取向膜的分子指向矢呈预设分布；
(3)在进行所述取向处理之后的光控取向膜上涂布胆甾相液晶材料，所述胆甾相液晶材料的分子在所述光控取向膜的控制下发生取向，并自组装成胆甾相液晶薄膜，去除或不去除所述透明基板，得到所述光开关。
作为本发明的优选技术方案，所述制备方法还包括：在步骤(1)之前，对所述透明基板进行清洗，以增加光控取向膜与透明基板的浸润性和粘附性。
优选地，所述清洗的方法为：将所述透明基板用洗液(丙酮、酒精等混合试剂)超声清洗20-40分钟，再用超纯水超声清洗两次，每次各8-10分钟，然后在100-120℃烘箱中烘干40-60分钟，最后进行紫外光臭氧清洗30-45分钟。
其中，基板优选光透过率较高(例如≥85％)的柔性基板或刚性基板；示例性的，基板材料可选择石英玻璃或普通玻璃。
作为本发明的优选技术方案，步骤(1)中所述形成光控取向膜的方法为：将光控取向剂旋涂在所述透明基板一侧，退火后形成所述光控取向膜。
光控取向膜的材料可以选自光交联材料、光降解材料、光致顺反异构材料中的至少一种；示例性的，光控取向膜的材料可以为偶氮材料。
本发明对旋涂光控取向剂的方法没有特殊限制，示例性地，可以采用如下方法：先在800转/分钟的转速下低速旋涂5秒，然后在3000转/分钟的转速下高速旋涂40秒。
优选地，所述退火的温度为100-110℃，所述退火的时间为10-20分钟。
作为本发明的优选技术方案，步骤(2)中所述取向处理的方法为多步重叠曝光，所述多步重叠曝光的方法为：
采用数控微镜阵光刻系统，根据曝光次序，选择对应的曝光图形，以及对应的诱导光偏振方向，依次进行曝光；
其中，相邻步骤的曝光图形的曝光区域部分重叠，所述诱导光的偏振方向随曝光次序沿顺时针或逆时针逐渐偏转。
在进行连续曝光时，受到诱导光偏振信息的影响，光控取向材料分子将沿着垂直于诱导偏振光方向进行排布。
本发明对涂布胆甾相液晶材料的方法没有特殊限制，示例性地，可以采用如下方法：控制温度为65℃，先在800转/分钟的转速下低速旋涂5秒，然后在2400转/分钟的转速下高速旋涂30秒，之后自然冷却至室温。
本发明对胆甾相液晶的材料没有特殊限制，示例性地，可以采用向列相液晶与手性剂混配而成，例如由向列相液晶E7与手性剂Chad-S按质量比100:1组成，或向列相液晶E7与手性剂Chad-R按质量比100:1组成。
第三方面，本发明提供一种对光路进行开关态切换的方法，所述方法为：采用第一方面所述的光开关，在外界光照射下，使所述光开关中的胆甾相液晶薄膜的分子结构发生变化，从而实现对光路的开关态切换。
其中，所述外界光是用于使胆甾相液晶分子中的光学活性基团的构象发生转变而附加的光，不同于用所述关开关对其进行开关操作的光束。所述外界光通常是胆甾相液晶分子最强的两个吸收峰对应波段的光，通过分别照射这两个波段的光，能够使光学活性基团在不同构象间相互转变。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明创造性地利用了光敏胆甾相液晶在发生光致异构化过程中产生不同的衍射分布这一原理，提供了一种基于胆甾相液晶的阵列光开关，通过对其照射使胆甾相液晶分子构象发生转变的外界光，即可实现光路切换的功能。该光开关具有驱动光功率低、能够动态操控且稳定调节、开关效率高、整合度好、制备工艺简单、成本低廉等优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于胆甾相液晶的阵列光开关的剖面结构示意图；
其中，11为胆甾相液晶薄膜，12为光控取向膜，13为透明基板；
图2为本发明实施例1提供的光开关中光控取向膜的分子指向矢分布示意图；
图3为本发明实施例1提供的光开关中胆甾相液晶薄膜的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的光开关的制备方法的流程图；
图5为本发明实施例中采用的多步重叠曝光方法的示意图；
图6为本发明实施例1中进行多步重叠曝光采用的曝光图形；
其中，a、b、c、d分别为第一、二、三、四次曝光采用的曝光图形；
图7为本发明实施例2提供的光开关中光控取向膜的分子指向矢分布图形示意图；
其中，A表示任意一个圆形区域；
图8为本发明实施例2提供的光开关中光控取向膜上一个圆形区域内的分子指向矢分布示意图；
图9为本发明实施例2中进行多步重叠曝光采用的曝光图形；
其中，a、b、c、d分别为第一、二、三、四次曝光采用的曝光图形；
图10为本发明实施例3中紫外光照射不同时间后接收的衍射图像；
图11为本发明实施例3中接收的衍射图像的正负一级衍射斑光强随紫外光照射时间变化的曲线图；
图12为本发明实施例4中紫外光照射不同时间后接收的衍射图像。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述具体实施方式仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供一种基于胆甾相液晶的阵列光开关，图1为其结构示意图。如图1所示，该光开关包括透明基板13、设置在透明基板13一侧的光控取向膜12，以及设置在光控取向膜12远离透明基板13一侧的胆甾相液晶薄膜11；
图2为光控取向膜12的分子指向矢分布示意图，如图2所示，光控取向膜12的分子指向矢方向沿水平方向周期性渐变，沿垂直方向保持不变，呈现出条形光栅结构；其中，光控取向膜12的分子指向矢方向每偏转180°为一个周期T，宽度为108μm，每个周期划分为宽度相等的18个条形子区域(依次记为T1、T2、T3、T4……T18)，沿水平方向相邻的两个条形子区域中分子指向矢方向偏转10°；
图3为胆甾相液晶薄膜11的结构示意图，如图3所示，胆甾相液晶薄膜11具有分层结构，同一层内的液晶分子指向相同，层间液晶分子指向矢依次扭转一定角度，形成螺旋面结构；其中，靠近光控取向膜12的一层液晶分子的指向矢分布与光控取向膜12的分子指向矢分布相同，靠近空气的液晶分子由于空气的强锚定作用而垂直于胆甾相液晶薄膜11的平面排列。
本实施例还提供一种上述光开关的制备方法，图4为该制备方法的流程图。
如图4所示，包括如下步骤：
S1：提供透明基板
具体的，取一块透光率在85％以上的石英玻璃，先用酒精超声清洗30分钟，再用超纯水超声清洗两次，每次各10分钟，然后在120℃烘箱中烘干40分钟，最后进行紫外光臭氧清洗30分钟，作为透明基板。
S2：在透明基板一侧形成光控取向膜
具体的，形成光控取向膜的方法为：采用偶氮材料作为光控取向材料，旋涂在步骤S1得到的透明基板一侧，旋涂参数为：先低速旋涂5秒，转速800转/分钟；然后高速旋涂40秒，转速3000转/分钟；将旋涂有光控取向材料的透明基板在105℃下退火10分钟，形成光控取向膜，厚度为50nm。
S3：对光控取向膜进行取向处理
具体的，取向处理的方法为多步重叠曝光：采用数控微镜阵光刻系统，根据曝光次序，选择对应的曝光图形，以及对应的诱导光偏振方向，依次进行曝光；其中，相邻步骤的曝光图形的曝光区域部分重叠，所述诱导光的偏振方向随曝光次序沿顺时针逐渐偏转；受到诱导光偏振信息的影响，光控取向材料分子将沿着垂直于诱导偏振光方向进行排布；
图5为本实施例中采用的多步重叠曝光方法的示意图，如图5所示，以任意一个周期T为例，分为18个子区域(依次记为T1、T2、T3、T4……T18)，以连续的5个子区域(需要说明的是，同一个周期内的T1区与T18区在空间上并不连续，此处为了方便说明曝光图形，因此将T1区与T18视为连续)为一组曝光区域，组成曝光图形；采用数控微镜阵光刻系统对光控取向膜进行18次曝光，每次曝光采用的曝光图形的曝光区域相较于前一个曝光图形移动一个子区域(当到达T18区时，返回T1区)，且诱导光偏振方向相较于前一次曝光沿顺时针偏转10°；
具体的，第一次曝光时，第一曝光图形的曝光区域为T1、T2、T3、T17和T18，第一次曝光对应的诱导光偏振方向为0°；
第二次曝光时，第二曝光图形的曝光区域为T18、T1、T2、T3和T4，第二次曝光对应的诱导光偏振方向为10°；
第三次曝光时，第三曝光图形的曝光区域为T1、T2、T3、T4和T5，第三次曝光对应的诱导光偏振方向为20°；
以此类推，第十八次曝光时，第十八曝光图形的曝光区域为T1、T2、T16、T17和T18，第十八次曝光对应的诱导光偏振方向为170°；
图6为本实施例中进行多步重叠曝光采用的曝光图形，a、b、c和d分别为第一、二、三、四次曝光采用的曝光图形，其中黑色条带为遮光区，白色条带为曝光区，相邻的一组黑色条带和白色条带即为一个周期；
在经历18次曝光后，每一个子区域均被曝光五次，使光控取向膜的分子指向矢形成预设的分布图形。
S4：在取向处理后的光控取向膜上形成胆甾相液晶薄膜
具体的，形成胆甾相液晶薄膜的方法为：将向列相液晶E7(HCCH公司)和手性剂Chad-S(BEAM公司)按质量比100:1混配，作为胆甾相液晶材料，然后旋涂在取向处理后的光控取向膜上，旋涂参数为：控温65℃，先低速旋涂5秒，转速800转/分钟；再高速旋涂30秒，转速2400转/分钟；然后自然冷却至室温，胆甾相液晶材料在光控取向膜的控制下发生取向，自组装成胆甾相液晶薄膜(厚度为25μm)，从而得到本实施例的光开关。
实施例2
本实施例提供一种基于胆甾相液晶的阵列光开关，与实施例1的区别在于，光控取向膜12的分子指向矢分布不同，具体如下：
图7为本实施例提供的光开关中光控取向膜12的分子指向矢分布图形示意图，如图7所示，光控取向膜12上具有周期性排布的圆形区域A；图8为任意一个圆形区域A内的分子指向矢分布示意图，如图8所示，圆形区域A内的分子指向矢方向从圆心到边缘沿径向周期性渐变，距离圆心相同距离处的分子指向矢方向相同，呈现出圆形光栅阵列结构；
具体的，上述圆形区域A内的分子指向矢方向从圆心到边缘沿径向逐渐偏转，每偏转180°为一个周期T(一个周期的宽度为108μm)，每个周期划分为18个宽度相等的连续的圆环形子区域(圆心处为圆形子区域，其宽度为其半径，)，一个周期内的圆环形子区域从圆心向外依次记为T1、T2、T3、T4……T18，每个圆环形子区域内的分子指向矢方向相同，沿径向相邻两个圆环形子区域内的分子指向矢方向逆时针偏转10°。
本实施例中制备光开关的步骤与实施例1基本相同，区别仅在于曝光图形不同。图9为本实施例中进行多步重叠曝光采用的曝光图形，a、b、c和d分别为第一、二、三、四次曝光采用的曝光图形，其中黑色圆环为遮光区，白色圆环为曝光区，相邻的一组黑色圆环和白色圆环即为一个周期。其他曝光图形本领域技术人员可根据实施例1中的多步重叠曝光方法和本实施例中光控取向膜的分子指向矢分布推导得知。
实施例3
本实施例提供一种对光路开关态切换的方法，采用实施例1提供的光开关，照射外界光，使该光开关中的胆甾相液晶薄膜的分子结构发生变化，从而实现对光路的开关态切换；
具体的，采用633nm激光，首先经过起偏器后形成为具有线偏振信息的633nm激光；再将此激光光束经过四分之一波片之后成为具有圆偏振信息的633nm激光光束；以此633nm圆偏振激光光束作为入射光，从实施例1提供的光开关的基板13入射，依次经过光控取向膜12和胆甾相液晶薄膜11后发生衍射，在接收屏上接收衍射图像；
然后采用365nm紫外光(光功率为0.83μw/cm2)作为外界光，照射胆甾相液晶薄膜11，使胆甾相液晶薄膜11中的液晶分子开始朝固定方向旋转，发生光致异构，入射的633nm圆偏振激光光束受到液晶分子在不同时刻的调制，相位伴随液晶分子的旋转发生相应的变化，从而实现出射光的开关态转换。
通过观察接收屏上接收的衍射图像随紫外光照射时间的变化，可得知光开关的开关状态，结果如图10和图11所示。
图10为紫外光照射不同时间后接收的衍射图像，其中箭头所示方向为紫外光照射时间方向，照射时间依次为0min、3min、3.2min、3.5min、6min、7min，图中曲线为衍射斑光强曲线。图11为正负一级衍射斑光强随紫外光照射时间变化的曲线图。
由图10和图11可以看出，随着365nm紫外光的持续不断入射，在接收屏上接收到的衍射图像为衍射斑，其中零级衍射斑始终存在，而正负一级衍射斑则随着紫外光的照射发生从亮到暗再变亮的连续转换，表明实施例1提供的基于胆甾相液晶的阵列光开关能够实现光开关的功能。由图11可以看出，当照射时间达到5min后，衍射斑光强持续增加；光照时间约10min后，胆甾相液晶薄膜中发生的光致异构化反应已经趋于平衡态，结构不再改变，因此衍射斑光强保持稳定。此时将365nm紫外光替换为450-490nm蓝光继续进行照射，即可使胆甾相液晶分子还原到初始状态。通过实施例3实现了基于胆甾相液晶的阵列光开关的一维(点)控制和和逻辑转换。
实施例4
本实施例提供一种对光路开关态切换的方法，与实施例3的区别在于，将实施例1提供的光开关替换为实施例2提供的光开关。观察接收屏上接收的衍射图像随紫外光照射时间的变化，结果如图12所示，其中箭头所示方向为紫外光照射时间方向，照射时间依次为3min、3.2min、3.5min、4.3min、6min、7min，图中曲线为衍射环光强曲线。
由图12可以看出，衍射图像中零级衍射斑始终存在，而正负一级衍射环则随着紫外光的照射发生从亮到暗再变亮的连续转换；图12中的曲线表示光强的变化情况，可以直观地看到正负一级衍射环随365nm紫外光照射时间的增加，光强从大到小，再从小到大连续变化。表明实施例2提供的基于胆甾相液晶的阵列光开关能够实现光开关的功能。通过实施例4，实现了基于胆甾相液晶的阵列光开关的二维控制和逻辑转换。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种基于胆甾相液晶的阵列光开关，其特征在于，所述光开关包括光控取向膜，和设置在所述光控取向膜一侧的胆甾相液晶薄膜；
所述光控取向膜的分子指向矢方向呈周期性渐变分布；
所述胆甾相液晶薄膜中靠近所述光控取向膜的一层液晶分子的指向矢分布与所述光控取向膜的分子指向矢分布相同。
2.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述光开关包括透明基板、设置在所述透明基板一侧的光控取向膜，以及设置在所述光控取向膜远离所述透明基板一侧的胆甾相液晶薄膜。
3.根据权利要求1或2所述的光开关，其特征在于，所述光控取向膜的厚度为30-50nm；
优选地，所述胆甾相液晶薄膜的厚度为25-30μm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的光开关，其特征在于，所述光控取向膜的分子指向矢方向沿水平方向周期性渐变，沿垂直方向保持不变，呈现出条形光栅结构。
5.根据权利要求1-3任一项所述的光开关，其特征在于，所述光控取向膜上具有周期性排布的圆形区域，所述圆形区域内的分子指向矢方向从圆心到边缘沿径向周期性渐变，距离圆心相同距离处的分子指向矢方向相同，呈现出圆形光栅阵列结构。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的光开关的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)在透明基板一侧形成光控取向膜；
(2)对所述光控取向膜进行取向处理，使所述光控取向膜的分子指向矢呈预设分布；
(3)在进行所述取向处理之后的光控取向膜上涂布胆甾相液晶材料，所述胆甾相液晶材料的分子在所述光控取向膜的控制下发生取向，并自组装成胆甾相液晶薄膜，去除或不去除所述透明基板，得到所述光开关。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：在步骤(1)之前，对所述透明基板进行清洗；
优选地，所述清洗的方法为：将所述透明基板用洗液超声清洗20-40分钟，再用超纯水超声清洗两次，每次各8-10分钟，然后在100-120℃烘箱中烘干40-60分钟，最后进行紫外光臭氧清洗30-45分钟。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述形成光控取向膜的方法为：将光控取向剂旋涂在所述透明基板一侧，退火后形成所述光控取向膜；
优选地，所述退火的温度为100-110℃，所述退火的时间为10-20分钟。
9.根据权利要求6-8任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述取向处理的方法为多步重叠曝光，所述多步重叠曝光的方法为：
采用数控微镜阵光刻系统，根据曝光次序，选择对应的曝光图形，以及对应的诱导光偏振方向，依次进行曝光；
其中，相邻步骤的曝光图形的曝光区域部分重叠，所述诱导光的偏振方向随曝光次序沿顺时针或逆时针逐渐偏转。
10.一种对光路开关态切换的方法，其特征在于，所述方法为：采用权利要求1-5任一项所述的光开关，在外界光照射下，使所述光开关中的胆甾相液晶薄膜的分子结构发生变化，从而实现对光路的开关态切换。
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